DE102014224514A1

DE102014224514A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Anordnung zumindest zweier Sensoren und Sensornetzwerk

Info

Publication number: DE102014224514A1
Application number: DE102014224514.1A
Authority: DE
Inventors: Dominik Marco Zoeke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2014-12-01
Publication date: 2015-06-11
Also published as: WO2015082383A1; EP3060942B1; CN105992959A; US10782402B2; CN105992959B; ES2768551T3; US20160306038A1; EP3060942A1

Abstract

Bei dem Verfahren zur Bestimmung einer Anordnung zumindest zweier Sensoren zueinander wird ein bewegtes Objekt mittels der zumindest zwei Sensoren erfasst und mittels je eines der Sensoren zumindest eine Bewegungsgröße des bewegten Objekts ermittelt, wobei zumindest diese Bewegungsgröße oder jeweils davon abgeleitete Größen gemeinsam zur Bestimmung einer relativen Anordnung der Sensoren zueinander herangezogen werden. Das Sensornetzwerk ist zur Durchführung eines solchen Verfahrens ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Anordnung zumindest zweier Sensoren sowie ein Sensornetzwerk.
In Sensornetzwerken, insbesondere in Sensornetzwerke mit drahtlosen Sensoren wie beispielsweise Funksensoren, werden regelmäßig Messinformationen mehrerer Sensoren zusammengeführt und gemeinsam ausgewertet. Die Zusammenführung der Messinformationen mehrerer Sensoren erfordert typisch eine genaue Kenntnis einer Anordnung der Sensoren zueinander. Im Vergleich zu Einzelsensoren sind Sensornetzwerke aufwändig zu installieren, zu warten oder zu verändern. Denn eine Bestimmung der Anordnung der Sensoren des Sensornetzwerks zueinander erfordert regelmäßig die Zuhilfenahme zusätzlicher Messgeräte, etwa Laser-Distanzmessgeräten, um nach einer Installation des Sensornetzwerks die relative Anordnung der Sensoren zueinander zu bestimmen.
Es ist ferner bekannt, im Falle kooperativer Sensoren eines Sensornetzwerks und direkter Sichtverbindung der Sensoren miteinander eine Sensor-zu-Sensor-Kommunikation zur Bestimmung der Anordnung der Sensoren zueinander heranzuziehen. Beispielsweise werden Abstände und Winkel der Sensoren zueinander per Multilaterationsverfahren ermittelt.
Ferner ist es bekannt, eine satellitengestützte Ortung der Sensoren eines Sensornetzwerks heranzuziehen, oder aber auf Basis mehrerer verteilter stationärer Landmarken bekannter Position die Positionen der Sensoren zu schätzen.
Die vorgenannten Verfahren nutzen jedoch häufig lediglich Abstands- und optional Winkelinformationen mindestens dreier Sensoren oder dreier Funksignalquellen. Zudem ist es bei den vorgenannten Verfahren häufig erforderlich, Signalquellen, Landmarken oder geeignet vorhandene Satelliten heranzuziehen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung einer Anordnung zumindest zweier Sensoren zueinander zu schaffen, mittels welchem eine relative Anordnung selbst lediglich zweier Sensoren zueinander unaufwändig und robust erfolgen kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Sensornetzwerk anzugeben, mittels welchem das Verfahren einfach durchführbar ist.
Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Sensornetzwerk mit den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung einer Anordnung zumindest zweier Sensoren zueinander wird ein bewegtes Objekt mittels der zumindest zwei Sensoren erfasst und mittels je eines der Sensoren zumindest eine Bewegungsgröße des bewegten Objekts ermittelt, wobei zumindest diese Bewegungsgrößen oder jeweils davon abgeleitete Größen gemeinsam zur Bestimmung einer relativen Anordnung der Sensoren zueinander herangezogen werden.
Zweckmäßig wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung einer Anordnung zumindest zweier drahtloser Sensoren, insbesondere optischer Sensoren und/oder Radarsensoren und/oder Sonarsensoren und/oder Lidarsensoren, durchgeführt.
Vorteilhaft sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine zusätzlichen Hilfsmittel zur Bestimmung der Anordnung der Sensoren zueinander erforderlich, sondern es ist zur Bestimmung der Anordnung hinreichend, lediglich Messwerte der Sensoren selbst zu verwenden. Vorteilhafterweise lässt sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens der Aufwand einer Erstinstallation, der Wartung oder der Änderung eines Sensornetzwerks deutlich reduzieren. Insbesondere erfordert das erfindungsgemäße Verfahren keine zusätzliche Infrastruktur, das heißt es muss kein Satellitensignal wie etwa ein GPS-Signal vorgesehen sein. Auch ist es nicht erforderlich, aktive Tags, beispielsweise Funk- oder Radarziele, vorzusehen. Die Unabhängigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht eine hohe Flexibilität im Einsatz dieses Verfahrens, insbesondere eröffnet es Freiräume bei der Anordnung von Sensoren eines Sensornetzwerkes; so ist etwa nicht zwangsläufig eine Sichtverbindung zwischen jeweils zwei Sensoren des Sensornetzwerks erforderlich. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich der Wartungsaufwand deutlich reduzieren. Beispielsweise kann zeitgesteuert, etwa in einem vorbestimmten zeitlichen Turnus, eine Neubestimmung der Anordnung der Sensoren zueinander erfolgen. Alternativ zu einem vorgesehenen zeitlichen Turnus kann insbesondere mittels statistischer Bewertungsverfahren ein Bedarf nach erneuter Bestimmung der Anordnung der Sensoren zueinander ermittelt und gegebenenfalls eine neue Bestimmung der Anordnung der Sensoren zueinander gestartet werden.
Kernmethodik des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Heranziehung der zeitlichen Evolution von mittels der Sensoren erfassten Trajektorien des Objekts bei dessen Bewegung zur Eigenlokalisierung der Sensoren. Aus Sicht eines jeden Sensors durchlauft die Trajektorie des Objekts – abhängig von der Art der erfassten Bewegungsgrößen oder diesen zugrundeliegenden Messwerten – einen anderen, jedoch eindeutigen Weg. Die Abweichung dieser verschiedenen Trajektorien voneinander spiegelt die zugrunde liegende Anordnung der Sensoren wider, was sich das Verfahren zunutze macht. Der Begriff ”Trajektorie” meint dabei nicht nur die Position des Ziels in kartesischen Koordinaten, sondern bezieht sich generell auf den Verlauf der Bewegungsgrößen oder diesen zugrundeliegenden Messwerten ausgedrückt als mathematische Funktion.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert grundsätzlich keine Parametrierung, das heißt eine aufwändige algorithmische Anpassung an die jeweiligen Sensoren oder an Besonderheiten der Umgebung ist entbehrlich. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht vielmehr auf einer Ermittlung und Heranziehung einer Bewegungsgröße oder einer von dieser abgeleiteten Größe. Auf diese Weise lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch einsetzen bei Sensornetzwerken mit heterogenen Sensorsystemen, etwa umfassend verschiedene Sensortypen und/oder Sensorkonfigurationen. Vorteilhafterweise lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren in entsprechender Weise für eine Vielzahl von Drahtlossensoren durchführen, solange die entsprechenden, nachfolgend näher erläuterten, Bewegungsgrößen erfassbar sind.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die relative Anordnung der Sensoren zueinander zumindest die relative Orientierung der Sensoren zueinander.
Bevorzugt umfasst bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die zumindest eine mittels jeweils eines Sensors ermittelte Bewegungsgröße zumindest die Bewegungsrichtung des bewegten Objekts, zumindest relativ zum Sensor. Aus der Sicht je eines der Sensoren bewegt sich das bewegte Objekt jeweils entlang einer anderen, jedoch eindeutigen, Trajektorie. Die Abweichung dieser unterschiedlichen Trajektorien einzelner der Sensoren voneinander spiegelt die zugrundeliegende unterschiedliche Anordnung der einzelnen Sensoren wieder. Insbesondere sind die unterschiedlichen Orientierungen dieser Trajektorien mit den unterschiedlichen Orientierungen der einzelnen Sensoren korreliert. Folglich lässt sich aus der Abweichung der Trajektorien untereinander auf die Orientierung der einzelnen Sensoren schließen. Bei der Bewegungsrichtung im Rahmen dieser Anmeldung handelt es sich entweder um eine momentane Bewegungsrichtung des bewegten Objekts zu einem bestimmten Zeitpunkt oder aber um eine während eines Zeitintervalls unveränderliche Bewegungsrichtung eines entlang einer Geraden bewegten Objekts. Es versteht sich, dass unter einer Bewegungsrichtung relativ zum Sensor eine Bewegungsrichtung relativ zu einer Orientierung des Sensors zu verstehen ist. Zweckmäßigerweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Bewegungsrichtung des bewegten Objekts mittels je eines der Sensoren derart ermittelt, dass zunächst die zeitliche Ableitung der Positionstrajektorie des bewegten Objekts, das heißt die zeitliche Ableitung in zwei oder drei Raumkoordinaten, erfasst wird. Der so erfasst Geschwindigkeitsvektor gibt mit seiner Orientierung die Bewegungsrichtung an. Geeigneterweise kann der Geschwindigkeitsvektor auf seinen Betrag normiert sein.
Der Geschwindigkeitsvektor des bewegten Objekts lässt sich beispielsweise derart mit je einem der Sensoren ermitteln, dass ein solcher Sensor herangezogen wird, welcher zur Erfassung des Abstandes des Objekts vom Sensor sowie zur Erfassung der Richtung des Objekts, in welcher dieses vom Sensor aus betrachtet befindlich ist, ausgebildet ist. Der Abstand ist beispielsweise über eine Laufzeitmessung eines von dem Sensor abgestrahlten Signals, welches von dem Objekt reflektiert und nachfolgend wieder vom Sensor erfasst wird, ermittelbar. Die Richtung des Objekts lässt sich beispielsweise mittels einer phasensensitiven Erfassung des reflektierten Funksignals bewerkstelligen. Die Winkel zwischen den mittels je eines der Sensoren ermittelten Bewegungsrichtungen liefern somit direkt die relativen Orientierungswinkel der jeweiligen Sensoren. Es versteht sich, dass mittels je eines der Sensoren die Richtung nicht allein mittels eines Winkels, sondern auch im dreidimensionalen Raum mittels zweier Winkel erfassbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich folglich auch im dreidimensionalen Raum in entsprechender Weise durchführen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die zumindest eine mittels je eines der Sensoren ermittelte Bewegungsgröße zumindest die Geschwindigkeit des Objekts entlang der Richtung einer jeweils den Sensor und das Objekt verbindenden geraden Strecke. Zweckmäßigerweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren diese Geschwindigkeit mittels des Dopplereffekts erfasst.
Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels je eines der Sensoren die Richtung des Objekts, in welcher dieses vom Sensor aus betrachtet befindlich ist, ermittelt und zur Bestimmung der Anordnung herangezogen. Eine solche Richtungsbestimmung kann beispielsweise im Falle von Radarsensoren mittels einer Anordnung von zwei oder mehr phasensensitiven Antennen eines Sensors erfolgen.
Besonders bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels je eines der Sensoren jeweils die Richtung des Objekts, in welcher dieses vom Sensor aus betrachtet befindlich ist, ermittelt und in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Objekts entlang der Richtung einer jeweils den Sensor und das Objekt verbindenden geraden Strecke erfasst, wobei zur Bestimmung der Anordnung diejenigen Richtungen, in welchen jeweils die ermittelte Geschwindigkeit verschwindet, herangezogen werden. Wie zuvor bereits erläutert, wird zweckmäßigerweise bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Dopplereffekt zur Ermittlung der Geschwindigkeit genutzt. Die Geschwindigkeit (wie zuvor erwähnt) sowie die Richtung, charakterisiert durch einen Winkel, bilden eine so genannte Winkel-Doppler-Trajektorie, welche mittels der Zuordnungsvorschrift ν_x' = ν_rcosϕ ν_y' = ν_rsinϕ (1) einen Kreis in einem kartesischen Koordinatensystem bildet. Der Mittelpunkt eines solchen Kreises ist die halbe komponentenweise Geschwindigkeit des bewegten Objekts in kartesischen Koordinaten aus jeweiliger Sensorsicht. Der Radius dieses Kreises repräsentiert den halben Betrag der Geschwindigkeit des bewegten Objekts. Dieser Kreis schneidet den Ursprung gemäß vorgenannter Zuordnungsvorschrift in den Koordinaten ν_x', ν_v' genau dann, wenn das bewegte Objekt den nächsten Punkt der Annäherung an den Sensor, das heißt Tangentialbewegung, erreicht. An diesem Punkt der nächsten Annäherung an den Sensor ist die Geschwindigkeit des Objekts auf den Sensor zu oder vom Sensor weg gerade gleich Null. In diesem Falle reduziert sich die Messung allein auf den Winkel ϕ, welcher die Richtung, in welcher das Objekt vom jeweiligen Sensor aus betrachtet befindlich ist, angibt. Werden mehrere Winkel ϕ mehrerer Sensoren erfasst, so geben diese Winkel ϕ die relative Orientierung der jeweiligen Sensoren zueinander an.
Je nach Orientierung der jeweiligen Sensoren kann das Objekt an dem Punkt seiner nächsten Annäherung an den jeweiligen Sensor nicht notwendigerweiser erfasst werden. In solchen Fällen wird deshalb zweckmäßigerweise bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Bestimmung der Kreisbahnen wie zuvor beschrieben mittels, insbesondere nichtlinearer, Regression und/oder Extrapolation bestimmt. Zweckmäßigerweise erfolgt eine solche nichtlineare Regression mit einer Nebenbedingung, gemäß welcher die Ursprünge der aus verschiedenen Messungen desselben Sensors resultierenden Kreisbahnen als Fixpunkt festgesetzt werden und im vorgenannten Fall einer Kreisbahn ein gleicher Radius für sämtliche Kreisbahnen angesetzt wird, so dass eine Regression bereits ab einem ersten Messwert des Sensors erfolgen kann.
Eine Abweichung in der Richtung ϕ führt zu einer Verschiebung des Messwertes entlang des Kreisbogens; Fehler in der relativen Geschwindigkeit ν_r hingegen beeinflussen den geschätzten Kreisradius. Eine Änderung der Bewegungsrichtung, das heißt eine Rotation der Geschwindigkeitskoordinaten des bewegten Objekts, beeinflusst jedoch sämtliche Kreismittelpunkte sämtlicher Sensoren gleichermaßen und beeinflusst damit nicht die Winkelunterschiede. Im Falle einer nichtkonstanten Geschwindigkeit des bewegten Objekts hingegen resultiert ein variabler Kreisradius, so dass statt einer fixen Kreisbahn geeigneterweise eine abschnittsweise Annäherung für veränderliche Kreisradien und/oder eine geeignete Kurvenanpassung genutzt wird. In einer zweckmäßigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels je eines der Sensoren der Abstand des Objekts vom Sensor ermittelt und zur Bestimmung der Anordnung herangezogen. Zweckmäßigerweise wird die Laufzeit eines elektromagnetischen Signals, welches vom Sensor abgestrahlt wird und nachfolgend vom Objekt reflektiert und wieder vom Sensor empfangen wird, zur Ermittlung des Abstandes des Objekts vom Sensor herangezogen.
Geeigneterweise wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung der Abstand der Sensoren zueinander bestimmt. Besonders bevorzugt wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung der Versatz der Sensoren zueinander bestimmt, insbesondere in der Art eines Translationsvektors. Auf diese Weise sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl der Abstand der Sensoren zueinander sowie die Orientierung der Sensoren zueinander bestimmt. Die relative Anordnung der Sensoren zueinander ist daher eindeutig festgelegt.
Vorteilhafterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung des Abstandes der Sensoren zueinander die relative Orientierung der Sensoren zueinander herangezogen, wie zuvor erläutert. Geeigneterweise werden zusätzlich mittels je eines der Sensoren der Abstand des Objekts vom Sensor ermittelt und zur Bestimmung der Anordnung herangezogen sowie die Richtung des Objekts, in welcher dieses vom Sensor aus betrachtet befindlich ist, ermittelt und zur Bestimmung der Anordnung herangezogen.
Liegt die relative Orientierung der Sensoren zueinander in Form von relativen Winkeln θ_kn zwischen jeweils zwei Sensoren k, n vor, so kann ein die beiden Sensoren k, n verbindender Weg d_nk insbesondere aus der Positionsmessung p_k gemäß
geschlossen werden.
Geeigneterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung einer Anordnung von mindestens drei Sensoren zueinander jeweils auf Paare der Sensoren ein Verfahren wie zuvor beschrieben, angewandt.
Das erfindungsgemäße Sensornetzwerk umfasst zumindest zwei Sensoren sowie eine Auswerteeinrichtung, welche eingerichtet ist, mittels Daten jedes der Sensoren zumindest eine Bewegungsgröße des bewegten Objekts zu ermitteln und diese Bewegungsgrößen oder jeweils davon abgeleitete Größen miteinander zu verknüpfen und zur Bestimmung einer relativen Anordnung der Sensoren zueinander heranzuziehen.
Geeigneterweise ist das erfindungsgemäße Sensornetzwerk ein drahtloses Sensornetzwerk, insbesondere ein Sensornetzwerk, welches mit optischen Sensoren und/oder mit Radarsensoren und/oder mit Sonarsensoren und/oder mit Lidarsensoren gebildet ist.
Besonders bevorzugt ist das erfindungsgemäße Sensornetzwerk ein heterogenes Netzwerk, d. h., das Sensornetzwerk umfasst unterschiedliche Sensortypen, insbesondere zumindest zwei unterschiedliche Sensortypen der Gruppe optische Sensoren, Radarsensoren, Sonarsensoren und Lidarsensoren.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Sensornetzwerk mit zwei Radarsensoren bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer Anordnung der Radarsensoren zueinander in der Situation der gleichzeitigen Erfassung eines bewegten Objekts in einer Prinzipskizze in einer Draufsicht,
2 das Sensornetzwerk gem. 1 bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gem. 1 in der Situation einer nicht gleichzeitigen Erfassung eines bewegten Objekts in einer Prinzipskizze in einer Draufsicht,
3 diagrammatisch eine Berücksichtigung mehrerer Messwerte je Radarsensor des erfindungsgemäßen Sensornetzwerks gem. 1 bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensornetzwerks mit zwei Radarsensoren bei der Durchführung eines weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens in der Situation der gleichzeitigen Erfassung eines bewegten Objekts in einer Prinzipskizze in einer Draufsicht sowie
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensornetzwerks mit zwei Radarsensoren bei der Durchführung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens in der Situation der gleichzeitigen Erfassung eines bewegten Objekts in einer Prinzipskizze in einer Draufsicht.
Das in 1 dargestellte Sensornetzwerk 5 umfasst einen ersten Radarsensor S₀ sowie einen zweiten Radarsensor S₁.
Erster und zweiter Radarsensor S₀ und S₁ sind jeweils ausgebildet, ihren Abstand R zu einem Objekt O zu messen. Die Messung des Abstands R zum Objekt O (oder äquivalent die Messung des Abstands R vom Objekt O zum jeweiligen Radarsensor S₀, S₁) erfolgt in an sich bekannter Weise über eine Laufzeitmessung eines vom Radarsensor S₀, S₁ jeweils abgestrahlten Radarsignals, welches vom Objekt O reflektiert und nachfolgend vom Radarsensor S₀, S₁ empfangen und mittels einer Auswerteelektronik (nicht explizit dargestellt) zur Ermittlung der Laufzeit ausgewertet wird.
Ferner sind erster und zweiter Radarsensor S₀, S₁ jeweils ausgebildet, in an sich bekannter Weise die Richtung, unter welcher das Objekt O vom Radarsensor S₀, S₁ aus betrachtet befindlich ist, mithin den Winkel ϕ, unter welchem das Objekt O vom Radar Radarsensor S₀, S₁ aus betrachtet gegenüber einer Referenzrichtung relativ zum Radarsensor S₀, S₁ aus erscheint, zu messen. Dazu weisen erster und zweiter Radarsensor S₀ und S₁ jeweils eine Gruppenantenne (nicht explizit dargestellt) auf, welche zum phasensensitiven Empfang eines vom Objekt O reflektierten Radarsignals ausgebildet ist.
Mithin sind erster und zweiter Radarsensor S₀ und S₁ ausgebildet, jeweils Abstand R und den die Richtung des Objekts O angebenden Winkel ϕ des Objekts O relativ zum Radarsensor S₀, S₁ zu erfassen. D. h., die Position des Objekts O wird jeweils in Polarkoordinaten (R, ϕ) des jeweiligen Radarsensors S₀, S₁, in welchen jeweils der Radarsensor S₀, S₁ im Ursprung gelegen ist, erfasst.
Der Winkel gibt dabei im dargestellten Ausführungsbeispiel stets den Winkel ϕ innerhalb einer zum Erdboden parallelen Ebene, in den Darstellungen parallel zur Zeichenebene, an. Der Winkel ϕ bildet folglich einen Aspektwinkel.
Das Objekt O ist in sämtlichen dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils ein bewegtes Objekt, im dargestellten Fall ein Landfahrzeug (in nicht eigens dargestellten weiteren Ausführungsbeispielen kann das Objekt O auch ein beliebiges sonstiges bewegtes Objekt, beispielsweise eine Person, ein Flugzeug oder ein Maschinenteil sein). Die Ausführungsbeispiele werden jeweils zunächst an einem gleichförmig bewegtem Objekt O erläutert, d. h. in demjenigen Bezugssystem in welchem die Radarsensoren S₀, S₁ des Sensornetzwerks 5 ruhen, sind Richtung und Betrag der Geschwindigkeit des Objekts O zeitlich konstant (erweiterte Verfahrensschritte bei nicht-gleichförmiger Bewegung des Objekts O werden jeweils im Zusammenhang mit dem jeweiligen Ausführungsbeispiel erläutert).
Mittels jedes der Radarsensoren S₀, S₁ wird nun in bekanntem zeitlichem Abstand der Zeitdauer Δτ jeweils die Position des Objekts O in Polarkoordinaten erfasst. Die Erfassung der Position des Objekts O in Polarkoordinaten erfolgt mittels beider Radarsensoren S₀, S₁ zeitlich synchron. Somit wird mittels jedes der Radarsensoren S₀, S₁ eine Bewegungsgröße, nämlich die Positionsänderung des Objekts O während der Zeitdauer Δτ erfasst. Die zeitliche Positionsänderung des Objekts O entspricht der Geschwindigkeit u des Objekts O und lässt sich in kartesische Koordinaten x, y relativ zu jedem Radarsensor S₀, S₁ vektoriell ausdrücken:
welche im Falle der gleichförmigen Bewegung des Objekts O der Positionsänderung des Objekts O während der Zeitdauer Δτ exakt entspricht (im Falle von Abweichungen der Bewegung des Objekts O von einer gleichförmigen Bewegung wird die Zeitdauer Δτ hinreichend klein gewählt, sodass die Momentangeschwindigkeit u wie zuvor angegeben in hinreichend genauer Näherung mittels der zeitlichen Positionsänderung des Objekts O während der Zeitdauer Δτ erfassbar ist).
Diese Richtung der Geschwindigkeit u ist eine inhärente Eigenschaft der Bewegung des Objekts O und somit unabhängig von der absoluten Position des Ziels wie auch dem relativen Abstand der Radarsensoren S₀, S₁ untereinander. Der Betrag der mittels der Radarsensoren S₀, S₁ erfassten Geschwindigkeit u ist unabhängig von dem Umstand, mittels welches Radarsensors S₀, S₁, diese jeweils ermittelt wird.
Die gemessene Bewegungsrichtung jedoch hängt direkt von der Richtung, unter welcher das Objekt O vom Radarsensor S₀, S₁ aus betrachtet befindlich ist, also von dem Winkel ϕ, unter welchem das Objekt O vom Radar Radarsensor S₀, S₁ aus betrachtet gegenüber einer Referenzrichtung fix zur Orientierung des Radarsensors S₀, S₁ aus erscheint, und folglich direkt von der Orientierung des Radarsensors S₀, S₁, ab.
Wird der Radarsensor S₀, S₁ um eine zum Erdboden senkrechte Richtung rotiert, so ändert sich dem Winkel ϕ um genau die negative Rotation. Der Schnittwinkel der mittels zweier Radarsensoren erfassten Geschwindigkeitsrichtungen zu ihren jeweils äquivalenten Zeitpunkten liefert damit direkt die relative Orientierung
der Radarsensoren S₀, S₁ zueinander, wobei u₀ die mittels des Radarsensors S₀ gemessene vektorielle Geschwindigkeit des Objekts O und u₁ die mittels des Radarsensors S₁ gemessene Geschwindigkeit des Objekts O angeben (1). Im Falle mehrerer Radarsensoren ist die relative Orientierung der Radarsensoren S_n, S_k zueinander jeweils
wobei die vektorielle Geschwindigkeit u_n jeweils die mittels des Radarsensors S_n und die vektorielle Geschwindigkeit u_k die mittels des Radarsensors S_k erfasste Geschwindigkeit des Objekts O angeben.
Ist das Ziel nicht gleichzeitig von beiden Sensoren beobachtbar, so wird eine Trajektorie auf Basis eines Bewegungsmodells oder vorheriger Messwerte bis zum zeitlichen Schnittpunkt extrapoliert (2).
Bei synchroner Erfassung der Positionen des Objekts O mittels der Radarsensoren S₀, S₁ ist das Verfahren zudem stets robust gegenüber Änderungen der vektoriellen Geschwindigkeit u (also Änderungen des Betrages oder der Richtung der Geschwindigkeit u).
Es ist ausreichend mittels jedes Radarsensors S₀, S₁ die Geschwindigkeit des Objekts O u₀ und u₁ jeweils ein einziges Mal zu erfassen. Jedoch werden im dargestellten Ausführungsbeispiel Messungenauigkeiten mit zunehmender Anzahl der erfassten Geschwindigkeiten durch geeignete Schätzverfahren bzw. Filterung reduziert (z. B. Methode der kleinsten Quadrate, 3).
Zur vollständigen Bestimmung der Anordnung der Radarsensoren S₀, S₁ zueinander bleibt der Versatz der Radarsensoren S₀, S₁ zueinander zu bestimmen:
Dazu wird der Versatz als Translationsvektor zwischen den Radarsensoren S₀, S₁ mithilfe der relativen Orientierung θ₀₁ sowie der Positionen p_k, p_n des Objekts O berechnet:
Ist die relative Orientierung θ₀₁ zwischen zwei Radarsensoren S₀, S₁, beispielsweise mittels der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wie oben beschrieben, bekannt kann direkt eine Bestimmung des Versatzes der Radarsensoren S₀, S₁ erfolgen.
Hierzu wird gemäß
der mittels des Radarsensors k ermittelte Ortsvektor p_k des Objekts O relativ zum Radarsensor k mit der relativen Orientierung θ_kn zwischen den Radarsensoren S_k und S_n, also mittels einer passiven Rotationsmatrix, oder mit der relativen Orientierung θ_kn zwischen den Radarsensoren S_n und S_k, also mittels einer aktiven Rotationsmatrix, rotiert und um den mittels des Radarsensors S_n zeitlich synchron zur Ermittlung des Ortsvektors p_k ermittelten Ortsvektor p_n des Objekts O relativ zum Radarsensor S_n verschoben.
Zur Durchführung dieses Verfahrens ist eine Ermittlung des Ortsvektors p_k, p_n je Radarsensor S_k, S_n ausreichend, jedoch sind Messungenauigkeiten wie zuvor anhand von 3 beschrieben reduzierbar, indem statt der direkten Bestimmung des Versatzes wie zuvor beschrieben eine Fehlerminimierung, d. h. eine bestmögliche Überlagerung mehrerer Messwerte angestrebt wird (vgl. ).
Auch dieses Verfahren verhält sich bei gleichzeitigen Positionsmessungen robust gegenüber Geschwindigkeits- oder Richtungsänderungen des Objekts O.
Alternativ oder zusätzlich zur vorgenannten Bestimmung der relativen Orientierung θ₀₁ der Radarsensoren S₀, S₁ zueinander kann auch eine Schätzung der Orientierung aus nichtlinearer Regression erfolgen:
Dazu werden in diesem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens Radarsensoren S₀, S₁ herangezogen, welche jeweils zumindest ausgebildet sind, die Richtung des Objekts O, in welcher dieses vom Radarsensor aus betrachtet befindlich ist, zu ermitteln sowie zumindest die Geschwindigkeit des Objekts O entlang der Richtung einer jeweils den Radarsensor und das Objekt verbindenden Strecke zu ermitteln. Die Richtung des Objekts O wird dabei wie in den vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispielen mittels des Winkels ϕ ausgedrückt. Die Geschwindigkeit des Objekts O entlang der Richtung einer jeweils den Radarsensor und das Objekt O verbindenden Strecke wird jeweils mit ν_r bezeichnet.
Bei konstanter vektorieller Geschwindigkeit u des Objekts O beschreibt die zeitliche Evolution der Größen ϕ, ν_r einen Kreis K im über ν_x' = ν_rcosϕ ν_y' = ν_r sinϕ (1) definierten kartesischen Raum.
Der Mittelpunkt dieses Kreises K ist
d. h. die halbe komponentenweise Geschwindigkeit des Objekts in x- und y-Richtung aus jeweiliger Sicht des Radarsensors S₀, S₁.
Der Radius repräsentiert den halben Betrag |ν| / 2 der Geschwindigkeit u des Objekts.
Da
gilt, schneidet dieser Kreis potentiell den Ursprung in (ν'_x, ν'_y), nämlich genau dann, wenn das Objekt O den nächsten Punkt der Annäherung an den Radarsensor, also einen Tangentialpunkt der Tangentialbewegung erreicht. Im Tangentialpunkt ist ν_r = 0 m/s bekannt, d. h. die Messung reduziert sich auf die Messung des Winkels ϕ des Radius an diesem Tangentialpunkt.
Wie zuvor zu den 1 und 2 beschrieben ist die relative Orientierung θ damit analog zu (1) durch den Schnittwinkel der Kreistangenten im Ursprung gegeben ( ).
In vielen Fällen wird ein Objekt O den Tangentialpunkt nie erreichen, insbesondere nicht zeitgleich aus Sicht zweier örtlich versetzter Radarsensoren. Deshalb wird zur Bestimmung der Kreistangenten mittels nichtlinearer Regression oder anderer geeigneter Verfahren pro Radarsensor die Trajektorie approximiert bzw. extrapoliert. Als Nebenbedingungen für dieses Optimierungsproblem werden der Ursprung als Fixpunkt sowie im beispielhaften Fall eines Kreises K ein gleicher Radius für alle Kreise K gesetzt, somit kann die Regression bereits ab dem ersten Messwert erfolgen. Eine Abweichung im Winkel ϕ führt zu einer Verschiebung des Messwerts entlang des Kreisbogens; ein Kreisumlauf beträgt π. Fehler in der Geschwindigkeit ν_r des Objekts O entlang der Richtung einer jeweils den Radarsensor S₀, S₁ und das Objekt O verbindenden Strecke beeinflussen dagegen den geschätzten Radius des Kreises K.
Eine Änderung der Bewegungsrichtung, d. h. eine Rotation der Geschwindigkeitskoordinaten, verschiebt sämtliche Kreismittelpunkte gleichermaßen und beeinflusst damit nicht den Schnittwinkel der Tangenten im Ursprung. Ist die Geschwindigkeit ν des Objekts O nicht konstant, äußert sich dies in einem variablen Radius, sodass statt einer fixen Kreisbahn eine geeignete abschnittsweise Approximation für variable Kreisradien oder eine generische Kurvenanpassung verwendet wird.
Alternativ zur Schätzung des Translationsvektors, also des Versatzes der Radarsensoren S₀, S₁ zueinander, kann auch durch eine Einpassung von Bewegungsvektoren in ϕ-Verläufe erfolgen:
Stehen – wie im Weiteren angenommen – nur Messwerte des Winkels ϕ zur Verfügung, so ist die Entfernung R des Objekts O von jedem Radarsensor S₀, S₁ zu schätzen:
Wird die Bewegung des Objekts O, also der Geschwindigkeitsvektor, in Polarkoordinaten dargestellt, ergibt sich mit der Zeitdifferenz Δt zwischen den Messwerten ∂x / ∂τ = ν_xΔt = R_i cosϕ_i – R_j cosϕ_j ∂y / ∂τ = ν_yΔt = R_i sinϕ_i – R_j sinϕ_j (4)
In Verbindung mit den Winkeln ϕ_i ≠ ϕ_j ist der Bewegungsvektor bzw. dessen Entfernung vom Radarsensor eindeutig in einem globalen Koordinatensystem. In Matrixform ist (4) direkt lösbar nach
Die berechneten Entfernungen R_i und gemessenen Winkel ϕ_i werden nun für Radarsensoren n und k in kartesische Koordinaten transformiert, womit die Position des Objekts O P_i,n = [x_i,n, y_i,n] und P_i,k bekannt und der relative Translationsvektor gemäß (2) gegeben ist. Alternativ können (4) und (5) auch direkt in kartesischen Koordinaten formuliert werden. Ein Messwert pro Radarsensor ist dabei ausreichend, um den Translationsvektor zu berechnen. Die Robustheit des Verfahrens ist einerseits durch die Genauigkeit des Geschwindigkeitsvektors und andererseits durch den (möglichst großen) durchlaufenen Winkelbereich |ϕ_i – ϕ_j| bestimmt.
Neben den hier dargestellten Verfahren sind abhängig vom Verlauf der Bewegungsgrößen, d. h. dem Bewegungsmodell des Objekts O, weitere Auswertemethoden denkbar. Hierzu können etwa eine Beschleunigung des Objekts O, eine definierte Kurvenbahn des Objekts O, aber auch andere für ein Bewegungsmodell charakteristische Bewegungsgrößen herangezogen werden, welche es ermöglichen, eine Trajektorie der Bewegungsgröße als beliebige mathematische Funktion zu erfassen. Durch Hinzunahme eines weiteren Winkels, etwa eines Elevationswinkels Ψ sind alle obigen Ausführungsbeispiele auch auf den dreidimensionalen Fall erweiterbar.
Wie in den zuvor anhand der 1 bis 5 erläuterten Ausführungsbeispielen ist das Verfahren zur Bestimmung einer Anordnung in zwei Teilverfahren zerlegbar: Zum einen wird die relative Rotation und zum anderen wird die relative Translation zwischen jeweils zwei Radarsensoren des Radarsensorpaares bestimmt.
Die Anwendung auf sämtliche Paare von Radarsensoren ermöglicht somit den Aufbau einer globalen ”Sensorkarte”. Dabei wird angenommen, dass entweder der Sichtbereich zweier Radarsensoren im Bereich der Zielmessung überlappt, oder im Falle nicht überlappender Bereiche das Ziel einem bekannten oder ausreichend predizierbaren Bewegungsmodell folgt.
Beispielhaft lässt sich eine Rotation aus Gradienten der Positionstrajektorie des Objekts O und anschließend eine Translation aus Positionen des Objekts O im (R, Φ)-Raum bestimmen oder aber eine Bestimmung der Rotation aus nichtlinearer Regression im (Φ, v_r)-Raum (nachfolgend auch Winkel-Doppler-Raum genannt) und ggf. anschließender Bestimmung der Translation wie zuvor beschrieben und ggf. zudem anschließender Bestimmung der Translation durch Einpassung von geschätzten Bewegungsvektoren in Winkel-Trajektorien vornehmen.
Das Verfahren ist in gleicher Art wie für Radarsensoren auch für optische Sensoren, Sonarsensoren, Lidarsensoren oder auch sonstige Drahtlossensoren einsetzbar, solange die entsprechenden Messgrößen zur Verfügung stehen. Wird ein kostengünstiges System angestrebt, so bietet die Bestimmung ausschließlich im Winkel-Doppler Raum klare Vorteile: Für die Messung der Dopplerfrequenz ist ein einfacher Dauerstrichsensor ausreichend; die Winkelmessung kann bereits über z. B. Phasenvergleich von nur zwei Empfangskanalen erfolgen. Die Verwendung von Dopplerfrequenzen bietet generell einen messtechnischen Vorteil, da die erzielbare Messgenauigkeit und Auflösung sowie der Messbereich weniger an Frequenz- bzw. Bandbreitenzulassung, sondern im Grunde an die verfügbare Messzeit gekoppelt ist. Desweiteren können alle Methoden wie sie zuvor beschrieben worden sind kombiniert bzw. parallel durchgeführt und damit die Verlässlichkeit und Robustheit der Positionsschätzung erhöht werden. Je nach erwarteter/gemessener Trajektorie des Objekts O und Fluktuation der Messwerte besteht so auch die Möglichkeit z. B. auf Basis von Plausibilitätsbewertungen automatisch zwischen den Methoden umzuschalten. Ebenso ist es möglich und sinnvoll, die paarweise Eigenlokalisierung in ein globales, kontinuierlich lernendes Modell einzubetten, um Schatzfehler zu minimieren.
Alle dargestellten Methoden sind stets geschlossen deterministisch formuliert und lösbar, was der Implementierbarkeit und jederzeitigen Nachvollziehbarkeit entgegenkommt.

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Anordnung zumindest zweier Sensoren zueinander, bei welchem ein bewegtes Objekt mittels der zumindest zwei Sensoren erfasst und mittels je eines der Sensoren zumindest eine Bewegungsgröße des bewegten Objekts ermittelt wird, wobei zumindest diese Bewegungsgrößen oder jeweils davon abgeleitete Größen gemeinsam zur Bestimmung einer relativen Anordnung der Sensoren zueinander herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die relative Anordnung der Sensoren zumindest die relative Orientierung der Sensoren zueinander umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die zumindest eine mittels je eines der Sensoren ermittelte Bewegungsgröße zumindest die Geschwindigkeit des bewegten Objekts, zumindest relativ zum Sensor, umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem ein Winkel der mittels je eines der Sensoren relativ zu diesem Sensor ermittelten Bewegungsrichtungen bestimmt und zur Bestimmung der Anordnung herangezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die zumindest eine mittels je eines der Sensoren ermittelten Bewegungsgröße zumindest die Geschwindigkeit des Objekts entlang der Richtung einer jeweils den Sensor und das Objekt verbindenden Strecke umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem mittels jedes der je eines Sensoren die Richtung des Objekts, in welcher dieses vom Sensor aus betrachtet befindlich ist, ermittelt und zur Bestimmung der Anordnung herangezogen wird.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, bei welchem mittels jeder der Sensoren jeweils die Richtung des Objekts, in welcher dieses vom Sensor aus betrachtet befindlich ist, ermittelt und in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Objekts entlang der Richtung einer jeweils den Sensor und das Objekt verbindenden geraden Strecke erfasst wird, wobei zur Bestimmung der Anordnung diejenigen Richtungen, in welchen jeweils die ermittelte Geschwindigkeit verschwindet, herangezogen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem mittels je eines der Sensoren der Abstand des Objekts vom Sensor ermittelt und zur Bestimmung der Anordnung herangezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Versatz der Sensoren zueinander bestimmt wird.
Verfahren zur Bestimmung einer Anordnung von mindestens drei Sensoren zueinander, bei welchem jeweils auf Paare der Sensoren ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche angewandt wird.
Sensornetzwerk umfassend zumindest zwei Sensoren sowie eine Auswerteeinrichtung, welche eingerichtet ist, mittels Daten je eines der Sensoren zumindest eine Bewegungsgröße des bewegten Objekts zu ermitteln und diese Bewegungsgrößen oder jeweils davon abgeleitete Größen miteinander zu verknüpfen und zur Bestimmung einer relativen Anordnung der Sensoren zueinander heranzuziehen.